北京
钠离子电池已成为无处不在的锂离子系统的一种颇具前景的替代方案。
南京大学的研究人员开发了一种铁介导策略，以解决高能量钠离子电池正极中的结构退化问题。
钠离子电池已成为无处不在的锂离子系统的一种颇具前景的替代方案。钠的储量远比锂丰富，成本也低得多。然而，要制造出一种既能储存足够能量又不会迅速衰减的钠电池，多年来一直困扰着材料科学家。
为了让钠电池储存更多能量，科学家们迫使正极内部的氧原子参与储能，这一过程被称为晶格氧氧化还原。它能提升功率，但也会损坏电池。氧一旦被氧化，很少能回到原始状态，导致正极的晶体结构在深度充放电循环中开裂和退化。
南京大学团队通过将铁离子嵌入定制的层状正极中，有效构建了一个原子尺度的“电子穿梭体”，从而解决了这一结构问题。
研究人员指出：“因此，晶格氧活化的正极使钠离子软包电池实现了206 Wh kg⁻¹的能量密度，并在50 mA g⁻¹条件下稳定运行100次循环，容量保持率达87.8%。”
铁介导解决方案
锂离子电池目前主导市场，但研究人员正在积极探索钠离子替代方案，因为钠的储量远更丰富且更具成本效益。一个主要的设计挑战在于电池的层状氧化物正极，其中让结构氧参与氧化还原反应可以提升能量密度，但往往会导致结构损坏。
由于被氧化的氧在反复充放电过程中很少能回到其原始化学状态，这种有限的可逆性会迅速降低正极的完整性以及电池的整体性能。
为了克服这一退化难题，研究人员开发了一种铁介导策略，将铁引入新设计的层状氧化物中。铁离子充当原子尺度的氧化还原介体，调控电子转移。
与仅依赖电化学电子转移的标准氧化还原反应相比，这种基于铁的过程通过一种不同寻常的化学途径进行。在固体晶体基体内部，铁(II)和铁(IV)离子直接与相邻的氧原子交换电子，从而在循环过程中稳定晶格。
充电时，Fe⁴⁺从晶格氧中捕获电子；放电时，Fe²⁺则将电子归还给氧，使被氧化的氧几乎完全恢复到原始化学状态，从而确保正极的稳定性。
从75%提升至99%
这种铁介导的接力机制将氧反应的可逆性从脆弱的75%大幅提升至近乎完美的99%。
研究团队在论文中写道：“在铁介导的辅助下，晶格氧氧化还原的可逆性从75%显著提升至99%。”
在钠离子软包电池中测试时，这种铁介导正极实现了206 Wh kg⁻¹的能量密度，并展现出高稳定性，在50 mA g⁻¹条件下循环100次后仍保持87.8%的容量保持率。
锰和铁是地球上储量最丰富、价格最便宜的过渡金属之一。用铁替代昂贵的钴或镍，使钠离子电池在电网储能和低成本电动汽车领域更具商业可行性。
尽管与顶级锂离子电池相比，钠离子电池更重且能量密度较低，但它们非常适合固定式储能系统，例如风能和太阳能发电场的缓冲储能，在这些场景中重量并不构成运营劣势。
这些初步发现表明，铁介导氧化还原是构建高稳定性、高能量钠离子电池的可行途径。这项研究为设计类似的正极材料提供了一条路径，有望激发电池化学领域更广泛的创新，最终加速经济实惠的钠离子技术的商业化与大规模应用。
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